第五讲高密度电法

第五章高密度电阻率法是一种重要的工程物探方法以地下岩土介质的电性差异为基础主要是观测研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律主要用于水文、工程和环境地质调查HighDensityResistivityMethod高密度电阻率法是集电阻率测深法和电阻率剖面法于一体的一种多装置，多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行的装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息，信息多并且观察精度高，速度快，探测深度灵活等特点。电极布设一次性完成，减少因电极布置而产生的故障和干扰；可进行有效的多种电极排列方式采集，或获得丰富的地电断面；野外数据采集自动化，避免手工操作出现的错误；5.1高密度电阻率法的特点（相对常规的电阻率法）5.2高密度电阻率勘探系统：采集及处理（电极系、程控式电极转换开关、电测仪）将全部电极按一定的间距布置在测点上（1-10m），利用电极转换开关，将每四个相邻电极进行一次组合，实现多种电极排列的测量参数。快速采集，提高工作效率、智能化，一、需要了解的一些基本知识：电阻率或导电率影响因素：成份含水量（潜水面）矿化度（咸、淡水层位）温度（地热）介质电阻率（·m）介质电阻率（·m）黄土0-200雨水1000粘土1-200河水10-100含水砾石层50-500海水0.1-1隔水粘土层5-30潜水100电性标志层①电性层：以电阻率大小划分的地层。电性层与地层有时不一致！②电性标志层：找出与某一地质层符合最好的电性层意义：以电性标志层作为曲线连续对比的标志，追踪目的层。③原则：a.电阻率横向稳定，与围岩差异大（10倍以上）；b.测区内连续性好，控制着工作区的地质构造；c.厚度大。④煤炭电法：灰岩基底水文电法：含水层下的粘土隔水层（低阻）工程电法：高阻基底（一）两个点源的电场特征：A(I)B(-I)M)11(2BMAMIUABM电位差表达式地下均匀介质的电阻率二、如何测定大地的电阻率？•在地下半空间中建立人工的电流场，研究由于地质对象的存在而产生的电场的变化（探测对象与周围介质之间的电阻率差异是前提条件）。•将直流电通过电极向地下供电以形成人工直流电场，由于直流电场中电荷的分布不随时间改变，这是一种稳定的电流场。（二）测定地下介质的电阻率：在A、B两点供电，M、N两点测量其间的电位差，来反算地下介质的电阻率AMNB)1111(2IBNANBMAMUUUABNABMMNIUKMNK为电极排列系数（联合剖面、对称四极排列、温纳四极排列）IUKMNs均匀大地电阻率的概念：实际上相当于将本来不均匀的的地电断面用某一等效的均匀断面来代替，按上式计算的电阻率不应当是地下介质的真实值，而是在电场分布范围内、各种地下介质电阻率综合影响的结果，视电阻率。温纳四极（等间距的对称四极）温纳偶极温纳微分01234567890123456789IIUU0123456789IU一次组合，获得三种电极排列的测量参数5.3高密度电阻率的装置及工作原理：温纳四极装置三种排列测得的视电阻率关系如下：sss3231可形成各种视参数的的等值线断面图•单独的•比值参数相邻两点的视电阻率值的比值ssT/sss（能够更为直观地反映地电断面的特征）联合三极装置高密度电阻率的装置及工作原理：∞←AU0123456789U0123456789B→∞温纳三极装置（W-A）温纳三极装置（W-B）两种排列与对称四极装置测得的视电阻率关系如下：2/)(BsAss5.4高密度电法野外工作方法技术①地表面剖面法②井中电阻率成像单孔跨孔1.数据采集方式：2.电极距的确定：xnan为隔离系数，x点距0345678912IUn=13.测点分布0345678912IUN=1U9012345678IN=2U0123456789IN=3U0123456789I101112N=4nx地面每一层的测点数计算式：隔离系数总电极数3N呈倒梯形4.野外工作示意图0111223243536474859程控开关观测系统理论图示ABMNE电流I等位面电力线ρ=KU/Iρ—视电阻率，单位(Ω·m)K—装置系数U—电位差，单位（mV)I—电流强度，单位（mI)s5.测量系统DUK-1探测系统测试记录仪DUK-1探测系统电极控制仪DUK-1探测系统工作站测量电极示意图电缆抽头拔插卡电极高密度电法野外观测示意图5.5基本的资料处理方法1.统计处理：视电阻率参数断面图或灰度图取滑动平均；计算均值、方差；视参数分级2.比值换算法：等值线断面图或灰度图λ参数对局部低阻体T参数对局部高阻体有较强的分辨能力。3.滤波处理视电阻率曲线随极距的增大由单峰变为双峰，绘制断面后除了主异常外，一般还会出现强的伴随异常，应消除这种成分的影响。4.结合正演资料进行分析地下断面的分布特征。高密度电法数据处理中几个比值参数：)()()(iiiTsss)1()1()()()1,(iiiiiiBsAsBsAs2)1()()1()()(iiiiiGBsBsAsAs1、首先根据所测视电阻率的结果评价视电阻率的分布特征；2、利用比值参数Gs和λ的平面图和拟断面图，研究观测剖面横向电阻率的变化特征，并根据此确定断层和裂隙发育带的位置、含水性及倾斜方向；3、比值参数TS的分布变化特征既包含了垂向电阻率变化的信息，又反映了横向电阻率的变化。因此利用TS的平面剖面图和拟断面图研究地电断面的异常性质，要综合Gs和λ的异常信息。4、如果以单对数坐标系绘制的α法和β法视电阻率平面剖面图上，两组剖面曲线之间存在固定间距，即比值参数TS是一个常数，那么介质电阻率只存在垂向变化。若TS小于1则说明介质电阻率随深度的变化而增大；否则减小；资料解释的基本原则5、如果沿观测点剖面方向有相邻三个测点和值相同，即TS等于1那么可以认为对应勘探范围内的介质是均匀的。6、由于比值参数Gs和λ是以联合三极装置的测量结果为基础的，因而通过求取比值参数可有效地抑制所测区域的空间效应，同样TS参数的求取也又类似作用。7、综合分析各类视参数所反映的介质电阻率和几何参数的信息，并结合已知区域的矿井地质、水文地质资料以及其他地球物理勘探资料，建立该区域的地电断面图，并选择一些有意义的地段进行正演模拟等，以验证地电模型的建立是否符合实际。8、选择部分构造影响较小的测点，由不同极距的视电阻率剖面曲线转换出垂向电测深曲线，并利用计算机进行自动反演解释。ss/T＝5.6高密度电阻率资料的反演基于电磁测深曲线的佐迪反演的方法最小二乘优化法，通过不断调整初始模型直至使实际测深曲线和模型测深曲线之差达到最小，最终的模型参数即作为反演的结果。高密度电阻率资料的层析成像，方法类同于此初始模型正演计算反演分析网格化2.5维有限元法理论与实测断面的比较5.7应用范围广泛应用于堤防隐患探测（如对江河大堤的蚁穴，鼠洞和软弱夹层及裂缝的高分辨率探测）用于水文、工程、环境的地质勘探及高分辨率电阻率法工程地质勘探；用于煤矿采空区、人防工程及喀斯特地区的溶洞等勘探；厂房地基、高速公路、桥梁、铁路、山体滑坡等地质灾害勘探；用于金属与非金属矿产资源勘探地热勘探。某河堤土工膜完整性探测土工膜河床河堤破裂处底部深度变化完整处认识一下高密度电阻率成果图像某地区岩性界线探测混合花岗岩岩性界线凝灰岩某厂房基础溶洞探测溶洞溶洞大理岩某地区含金石英脉探测含金石英脉沈阳怪坡含水断裂探测石英砂岩含水断裂安山岩设计钻孔某金属矿探测地形线古采坑硅化带矿体点距：3M某金矿脉探测点距：5M采矿坑道金矿脉侵入岩体应用实例一：云南某水库高密度电法对水库坝体状况进行高密度电阻率法勘探。水库坝型为粘土心墙风化料坝，坝高48米（坝底高程1985米，坝顶高程2033米），坝顶长154米，坝顶宽7米，总库容433万立方米。1.基本情况2.坝址区水文地质条件1)地下水类型坝址区地下水类型较为单一。根据各含水层岩性、地下水赋存条件及水力特征等，可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。2)各含水层透水性能右岸山体残坡积、红粘土和砂壤土：微弱透水；全强风化岩体、砂及砂土夹碎块：微弱、弱透水；弱至新鲜岩体：中等透水。左岸山体残坡积、红粘土和砂壤土：微弱透水；全强风化岩体、砂及砂土夹碎块：弱透水；弱至新鲜岩体：极微透水。河中河床冲积砂碎石：弱透水；断层破碎带及强弱风化岩体：微弱透水；新鲜岩体：极微透水。3.电法勘探电极装置类型选择本次采用温纳四极排列，60路电极，勘探工作使用的电极间距测线1、测线2、测线3为3.5米，测线4和测线5为3.0米。4.测线布设共计布设了5条测线8条剖面剖面8测线5测线4沟水测线3测线1洪排测线2剖面5剖面3库区剖面1剖面7沟水排剖面6剖面4剖面2溢道测线1位于坝体顶部，与防浪墙相距1m。测线从溢洪道内边缘开始，过输水隧洞上部，至水库管理所门口路边结束，总长206.5米。测线2位于坝体后坡上，与测线1平行，距坝顶斜距为17米。起点位于测线1的54.5米处下方，总长206.5米测线3位于坝体后坡上，与测线2平行，距测线2斜距为20.4米。起点与测线2的起点对齐，总长206.5米1:2.751:3.001:3.251:2.51:2.751:3.00测线1测线2测线3测线4测线57222223538.5336.438.54235.756.37.74.69.419.02032米测线4（剖面7）位于坝体后坡上，与测线3平行，距测线3斜距为15.5米。起点位于测线3的6米处下方，总长177米。测线5（剖面8）位于坝体后坡上，与测线4平行，距测线4斜距为29.4米。起点位于测线4起点前21.5米处下方，总长177米①输水隧洞②地表浸水区域测线1剖面图①点位151～155米，深度32～34.1米处有一2～40ohm-m的明显低阻异常体（蓝色），电阻率值圈闭且变化大，推断为水库的输水隧洞，因其充水较多而成为良导体。②坝顶的低阻分布（蓝色），是下雨形成的潜水区。④地表浸水区②浸润区③浸润区①浸润区①点位132～136米，深度45.5米处有一150ohm-m左右的低阻异常体（蓝色），是浸润区。②点位78～85米，深度52.5米处有一150ohm-m左右低阻异常（蓝色），是浸润区。③点位160～164.5米，深度21.1～28.1米处有一低阻异常（蓝色），是浸润区。④点位110米处有一低阻异常（蓝色），是下雨形成的潜水区。测线2剖面图②严重渗水区③渗水区①严重渗水区①点位141～147米，深度38.5～44米处有一24～40ohm-m的明显低阻体（蓝色），是严重渗水区。②点位129～134米，深度45～49米处有一24～40ohm-m的明显低阻异常体（蓝色），是严重渗水区。③点位126～154米，深度32～58米范围内有一40～140ohm-m的大面积低阻体（浅蓝色），是渗水区域。测线3剖面图②严重渗水区①渗水区③地表浸水区①点位111～129米，深度29～48米处有一3～140ohm-m的大面积低阻异常体（蓝色、浅蓝色），是渗水区域。②点位66～69米，深度37.1～41.1米处有一3～80ohm-m的圈闭低阻异常（蓝色），是严重渗水区。③点位148～154米，深度1～3米处有一低阻异常（浅蓝色），是下雨形成的潜水区。测线4剖面图②地下水渗透带①严重渗水区①点位120～132米，深度23.5～33米处有一5～140ohm-m的明显低阻体（蓝色），是严重渗水区。②点位60～75米，深度38.3～48.3米处有一5～140ohm-m低阻异常区（蓝色），是地下水渗透带。测线5剖面图勘探结论：1.根据电阻率值沿坝体在垂向上的变化趋势，在宏观上由地表至深部，呈层状分布特点：坝顶上部浅层中电阻率分布在40～1000ohm-m之间，深部的电阻率值多在1000ohm-m以上，呈现相对高阻的特点。电阻率值在横向上连续性好，其变化较小，具有层状地层的电性特征。电性分层较为明显。⒉渗水情况右坝肩资料结果显示，在深度30-